第四章 光电检测.ppt

第四章光电检测 光电检测器的物理效应光电探测器的性能参数光敏电阻光电池光电二极管雪崩光电二极管光电倍增管光接收机 光电探测器 凡是光辐射量转换为电量 电压或电流 的光探测器 都称为光电探测器 光电探测器的物理效应包括 1 光子效应2 光热效应 光子效应 单个的光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应 1 光子效应对光波频率表现出选择性 2 响应速度比较快 光热效应 探测元件吸收光辐射能量后 并不直接引起内部电子状态的改变 而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量 引起探测元件温度升高 温度上升的结果由使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化 1 光热效应对光波频率没有选择性 2 响应速度比较慢 外光电效应 光电发射效应 在光照射下 电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 亦称光电发射效应 它是在1887年由德国科学家赫兹发现的 基于这种效应的光电器件有光电管 光电倍培管等 众所周知 每个光子具有的能量为 逸出功A也称功函数 是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功 其值与材料有关 还和材料的表面状态有关 若逸出电子的动能为 则由能量守恒定律有 式中 m为电子的静止质量 m 9 1091 10 31kg v0为电子逸出物体时的初速 上式即为爱因斯坦光电效应方程式 由该式可知 1 光电效应能否产生 取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功 这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值 称为截至频率 对应的光波长称为临界波长 光的频率小于截至频率 光子的能量不足以使物体的电子逸出 因而小于截至频率的光 光强再大也不会产生光电发射 反之 入射光频率高于截至频率 即使光强微弱也会有电子发至射出来 2 若入射光的光频为v 光功率为P 则每秒钟到达的光子数为p h 假设这些光子中只有一部分 能激发电子 则入射光在光电面激发的光电流密度为 式中 是量子效率 定义为光强生成的载流子数与入射光子数之比 它是波长的函数 并与光电面的反射率 吸收系数 发射电子的深度 表面的亲和力等因素有关 e为电子电荷量 3 光电子逸出物体表面具有初始动能 因此光电管即使未加阳极电压 也会有光电流产生 为使光电流为零 必须加负的截止电压 而截止电压与入射光的频率成正比 内光电效应 光电导效应光伏效应 1 光电导效应入射光强改变物质导电率的物理现象 叫光电导效应 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有 这是由于在入射光作用下 电子吸收光子能量 从价带激发到导带 过渡到自由状态 同时价带也因此形成自由空穴 致使导带的电子和价带的空穴浓度增大 引起材料电阻率减小 为使电子从价带激发到导带 入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg 如图4 1所示 即光的波长应小于某一临界波长 0 式中 Eg以电子伏 eV 为单位 1eV 1 60 1019J c为光速 m s 0也称为截止波长 根据半导体材料不同的禁带宽度可得相应的临界波长 图4 1能带图 图4 2光电导元件工作示意图 图4 2为光电导元件工作示意图 图中光电导元件与偏置电源及负载电阻RL串联 当光电导元件在一定强度的光的连续照射下 元件达到平衡状态时 输出的短路电流密度为 式中 为内光量子效率 为光强生成的载流子数与入射光子数之比 c为多数载流子的迁移率 c为多数载流子寿命 d为两电极间距 可以看出 i0在波长决定之后与P成正比 在 P一定时 与光波长 成正比 2 光生伏特效应光生伏特效应就是半导体材料吸收光能后 在PN结上产生电动势的效应 P型半导体内有许多多余的空穴 N型半导体内有许多过剩的电子 当N型半导体和P型半导体结合在一起时 由于热运动 N型半导体中的电子越过交界面填补了P型半导体中的空穴 也可以说P型半导体中的空穴越过交界面复合了N型半导体中的电子 图2 3PN结产生光生伏特效应 PN结用作整流时 其电压 电流特性如图4 4中的曲线 1 所示 这时外加电压U 以正方向为正 与电流Id的关系为 式中 Id为没有光照时的暗电流 Is为反向饱和暗电流 k为玻耳兹曼常数 T为绝对温度 当光照射到PN结上时 由于光生伏特效应产生的短路电流I0与光电导效应相类似 即 图4 4PN结的电压电流特性 这个电流与前式所示电流方向相反 所以流经结点的电流是二者之差 即 由此可见 当有光照射时 电压 电流特性向下方平行移动 如图4 4中的曲线 2 所示 当I 0时 对U求解 得开路电压为 如果入射光较弱 I0 Is 则有 热释电效应 利用热效应的光电传感器包含光 热 热 电 两个阶段的信息变换过程 光 热阶段是物质吸收了光以后温度升高 热 电阶段是利用某种效应将热转变为电信号 热释电效应就是这种效应之一 热释电材料有晶体 陶瓷和塑料等 使用最早的是热释电晶体 热释电晶体在自然条件下能够自发极化 形成固有的偶极矩 在垂直晶体极轴的两个端面上具有大小相等 符号相反的束缚电荷 如果垂直晶体极轴的两个端面上镀有金属电极 则在电极上会感生与束缚电荷大小相等的自由电荷 当温度变化时 电偶极矩会发生变化 晶体表面的束缚电荷发生变化 从而导致电极上的自由电荷发生变化 如果电极与放大器的输入端相接 则放大器输出与温度变化成正比的电信号 热释电晶体如铌酸锂 钽酸锂等 热释电陶瓷如钛酸钡 BaTiO3 锆钛酸铅 PZT 等 热释电塑料如聚偏二氟乙烯 PVDF 等 通常极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电荷中和 晶体对外不显电性 为了使产生的束缚电荷不被中和掉 就必须使晶体处于冷热交变工作状态 这样才能使晶体两端所产生的束缚电荷表现出来 为此 热释电传感器需要用光调制器调制入射光 调制频率f必须大于中和时间 才能使热释电体产生的电荷来不及被外来自由电荷所中和 在晶体极轴两端产生交变电压 如图4 5所示 若在热释电体两端的电极上接入电阻R 则R两端所产生的交流信号电压 U为 式中 S为电极面积 dPS dt为自发极化矢量对时间的相对变化 g dPS dT为热释电系数 dT dt为温度对时间的变化率 由此看出 输出信号 U与温度变化速度成正比 而温度的变化速度又与红外线的强度变化有关 利用热释电效应可制成红外探测器 温度传感器 热成像器件等 图4 5热释电效应示意图 光电转换定律 把光辐射量转换成光电流量地过程称为光电转换 其中 D为光电转换因子 为探测器地量子效率 光电转换定律 光电探测器的性能参数 积分灵敏度光谱灵敏度量子效率通量阈归一化探测度 1 积分灵敏度S光电器件对连续辐射通量的反应程度称为积分灵敏度 定义为 反应U与入射到光电器件上的辐射通量 之比 即 当反映为光电流时 积分灵敏度即为辐射灵敏度 在光电器件说明书中列出的积分灵敏度值都是依据标准辐射源的辐射来测定的 光电器件类型不同所用标准辐射源也不同 灵敏度也常称作响应度 它是光电探测器光电转换特性的量度 光电流i 或光电压u 和入射光功率P之间的关系I f P 称为探测器的光电特性 灵敏度R定义为这个曲线的斜率 即 Ri和Ru分别称为电流和电压灵敏度 i和u均为电表测量的电流 电压有效值 式中的光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率 因此 这里的Ri和Ru又分别称为积分电流灵敏度和积分电压灵敏度 2 光谱灵敏度S 与峰值波长大多数接收器对所感受的波长是有选择性的 接收器对不同波长光 电磁辐射 的反应程度称为光谱响应或光谱灵敏度 光谱灵敏度为光电器件对单色辐射通量的反应与入射的单色辐射通量之比 即 式中 为入射的单色辐射通量 U 为光电器件的反应 单色辐射是指光线波长在 0的狭窄范围内的辐射 其通量称为单色辐射通量 光电器件的S 随波长 而变化 且在某个波长 m处有最大值S m 波长 m称为峰值波长 即光谱灵敏度最大时的波长 3 相对光谱灵敏度Sr 光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比称为相对光谱灵敏度 即 式中 Sr 是一无量纲函数 也称光谱特性 光谱特性是指相对光谱灵敏度与入射光波长之间的关系 不同敏感材料的光谱特性曲线如图4 7所示 从材料的光谱特性曲线可以判断哪种辐射源与哪种光电器件配合使用 可以获得较高的灵敏度 图4 7不同敏感材料的光谱特性曲线 4 量子效率 量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子数之比 可见 量子效率正比于灵敏度而反比于波长 5 通量阈 H在光电器件输出端产生的电信号与固有噪声电平相等的最小辐射通量称为通量阈 H 若把对应于 H的光电器件的反应以等效噪声的均方根值 则有 噪声的存在 限制了探测微弱信号的能力 通常认为 如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in 那么就认为刚刚能探测到光信号存在 通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率 光电器件的通量阀可以根据特定辐射源来测定 而且同积分灵敏度一样 它和辐射源的辐射特性有关 单色通量阀由下式定义 单色通量阀反映光电器件本身的固有特性 而通量阀不仅反映光电器件本身的固有特性 而且还反映辐射特性 6 归一化探测率D 由于通量阈与光电器件灵敏面的面积有关 在窄带情况下通量阈与带宽的平方根成正比 对光电器件性能进行比较 应当在灵敏面的尺寸和带宽一定的条件下进行 因而引进一个新的特性参数 即归一化探测率 归一化探测率可由下式定义 式中 A为灵敏面面积 f为带宽 由上式可见 D 实质上就是光电器件在具有单位灵敏面积 单位带宽 1Hz 及单位辐射通量时所获的信噪比 7 转换特性Sz t 和响应时间当入射辐射通量很小时 可以把光电器件看作线性系统 并用转换特性的时间常数来描述光电器件的动态特性 转换特性Sz t 是辐射通量 t 为阶跃信号时光电器件的响应 如图4 8所示 实际上转换过程要经过2 3 的时间才能结束 因此 将光电器件输出端电压达到最大值0 63倍时所对应的时间 即t 称为光电器件的响应时间 它反映了光电器件响应时间的快慢 调制频率上限受响应时间的限制 图4 8光电器件的转换特性 8 光电器件的频率特性光电器件相对光谱灵敏度随入射辐射通量的调制频率的变化关系称为光电器件的频率特性 由于光电器件有一定的惰性 在一定幅度的正弦调制光照射下 当频率较低时 灵敏度与频率无关 若频率增高 灵敏度就会逐渐降低 多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为 式中 Sr0为调制频率f 0时的灵敏度 f为调制频率 为响应时间 图4 9示出了一些光电器件的频率特性 图4 9光电器件的频率特性 9 光照特性光照特性表示光电器件的积分或光谱灵敏度与其入射辐射通量的关系 有时光电器件输出端的电压或电流与入射辐射通量间的关系也称为光照特性 图4 10为某种光电池的光照特性 图4 10光电器件的光照特性 10 温度特性光电器件的灵敏度 暗电流或光电流与温度的关系称为温度特性 通常由曲线表示或由温度系数给出 温度系数表示在给定的温度区间 温度变化1 时 光电流的相对平均增量或灵敏度的变化或光敏电阻阻值的平均变化 温度变化不仅影响光电器件的灵敏度 同时对光谱特性也有较大的影响 由于光电器件的灵敏度随温度变化 在高精度检测时 要进行温度补偿或要求在恒温条件下工作 11 伏安特性在保持入射光频谱成分不变的条件下 光电器所加电压与光电流之间的关系称为光电器件的伏安特性 如图4 11所示 它是传感器设计时选择电参数的依据 图4 11光电器件的伏安特性 光敏电阻1 光敏电阻的结构原理光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 在无光照时 光敏电阻具有很高的阻值 在有光照时 当光子的能量大于材料禁带宽度 价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带 激发出可以导电的电子 空穴对 使电阻降低 光线愈强 激发出的电子 空穴对越多 电阻值越低 光照停止后 自由电子与空穴复合 导电性能下降 电阻恢复原值 制作光敏电阻的材料常用硫化镉 CdS 硒化镉 CdSe 硫化铅 PbS 硒化铅 PbSe 和锑化铟 InSb 等 光敏电阻的结构如图4 20所示 由于光电导效应只限于光照表面的薄层 一般都把半导体材料制成薄膜 并赋予适当的电阻值 为了避免外来干扰 外壳的入射孔用能透过所需光谱光线的透明保护窗 如玻璃 有时用专门的滤光片作保护窗 光敏电阻管芯怕潮湿 为了避免受潮 光电半导体严密封装在壳体中或在其表面涂防潮树脂涂料 图4 20光敏电阻结构图 图4 21光敏电阻的电极构造 电极构造通常做成梳形 如图4 21所示 这样 光敏电阻电极之间的距离短 但是光敏面积较大 从而可获得很高的灵敏度 1 具有灵敏度高 2 光谱响应范围宽 3 体积小 重量轻 机械强度高 耐冲击 抗过载能力强 4 耗散功率大 以及寿命长等 光敏电阻的特点 2 光敏电阻的基本特性和主要参数1 暗电阻和暗电流室温条件下 光敏电阻在全暗后经过一定时间测得的电阻值 称为暗电阻 此时在给定工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电流 光敏电阻在某一光照下的阻值 称为该光照下的亮电阻 此时流过的电流称为亮电流 亮电流与暗电流之差称为光电流 2 光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系 称为光敏电阻的光照特性 不同类型的光敏电阻 光照特性不同 但多数光敏电阻的光照特性类似于图4 22中的曲线形状 图4 22光敏电阻的光照特性 3 光谱特性光敏电阻对不同波长的光 光谱灵敏度不同 而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同 光敏电阻的光谱灵敏度和峰值波长与所采用材料 掺杂浓度有关 图4 23为硫化镉 硫化铅 硫化铊光敏电阻的光谱特性曲线 由图可见 硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值在可见光区域 接近人的视觉特性 而硫化铅在红外区域 在选用光敏电阻时 应和光源的光谱特性相匹配 以取得好的效果 图4 23光敏电阻的光谱灵敏度 4 伏安特性在一定照度下 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 称为伏安特性 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图4 24所示 图4 24光敏电阻的伏安特性 由曲线可知 1 在给定的偏压下 光照度越大 光电流也越大 2 在一定的光照度下 电压越大 光电流越大 且没有饱和现象 但是不能无限制地提高电压 任何光敏电阻都有最大额定功率 最高工作电压和最大额定电流 超过最大工作电压和最大额定电流 都可能导致光敏电阻永久性损坏 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的 而光敏电阻的耗散功率又与面积大小以及散热条件等因素有关 注意 5 响应时间和频率特性在阶跃脉冲光照射下 光敏电阻的光电流要经历一段时间才达到最大饱和值 光照停止后 光电流也要经历一段时间才下降到零 这是光电导的驰豫现象 通常用响应时间来描述 响应时间又分为上升时间t1 t2和下降时间t1 t2 如图4 25所示 图4 25光敏电阻的响应时间 常用时间常数 来描述响应时间的长短 产品说明中也往往给出时间常数的值 多数光敏电阻时间常数在10 6 1s数量级 实验表明 1 光敏电阻的响应时间与前历时间有关 在暗处放置时间越长 响应时间越长 2 响应时间也与照度有关 照度越大 响应时间越短 由于不同材料的光敏电阻有不同的响应时间 因而它们的频率特性也不相同 图4 26表示不同材料光敏电阻的频率特性 即相对光谱灵敏度与照度调制频率的关系曲线 在光电器件中 光敏电阻的响应速度最慢 因此 利用其作开关元件仅适用于低速的情况 图4 26光敏电阻的频率特性 6 温度特性当温度升高时 光敏电阻的暗电阻和灵敏度都下降 因此光电流随温度升高而减小 图4 27为硫化镉光敏电阻在光照一定时的温度特性曲线 光敏电阻的温度特性一般用温度系数 来表示 温度系数定义为 在一定光照下 温度每变化1 光敏电阻阻值的平均变化率 即 式中 R1为在一定光照下 温度为T1时的阻值 R2为在一定光照下 温度为T2时的阻值 温度系数越小越好 图4 27硫化镉光敏电阻的温度特性曲线 温度变化不仅影响灵敏度 暗电阻 而且对光敏电阻的光谱特性也有很大影响 随温度升高 峰值波长向短波方向移动 因此 对光敏电阻灵敏面降温可提高对长波长的响应 图4 28为硫化铅光敏电阻在不同温度的光谱特性曲线 图4 28硫化铅光敏电阻在不同温度的光谱特性曲线 7 稳定性初制成的光敏电阻 光电性能不稳定 需进行人工老化处理 即人为地加温 光照和加负载 经过一至二星期的老化 使其光电性能趋向稳定 人工老化后 光电性能就基本上不变了 常用材料光敏电阻的典型参数如表4 3所示 以供参考 表4 3光敏电阻的典型参数 光电池光电池的工作原理是基于光生伏特效应的 光电池的种类很多 有硒光电池 氧化亚铜光电池 锗光电池 硅光电池 砷化镓光电池等 其中硅光电池的光电转换效率高 寿命长 价格便宜 适合红外波长工作 是最受重视的光电池 1 光电池工作原理硅光电池是在N型硅片中掺入P型杂质形成一个大面积的PN结 如图4 29所示 光电池的结构类似于光电二极管 区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低 约为0 1 0 01 cm 而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为1000 cm 上电极为栅状受光电极 下电极为衬底铝电极 栅状电极能减少电极与光敏面的接触电阻 增加透光面积 其上还蒸镀抗反射膜 既减少反射损失 又对光电池起保护作用 当光照射到PN结上时 如果在两电极间串接负载电阻 则电路中便产生了电流 如图4 30所示 图4 29硅光电池结构示意图 图4 30硅光电池电原理图 2 光电池的基本特性1 光谱特性光电池的光谱特性如图4 31所示 从图中可知 不同材料的光电池 峰值波长不同 图2 31光电池的光谱特性 2 光照特性硅光电池的光照特性 如图2 32所示 由图可见 硅光电池的短路电流与光照有较好的线性关系 而开路 负载电阻RL趋于无限大时 电压与照度的关系是非线性的 呈对数关系 而且在光照度2000lx时就趋向饱和了 图2 32硅光电池的光照特性 因此 光电池作为测量元件使用时 应利用短路电流与照度有较好线性关系的特点 可当作电流源使用 而不宜当作电压源使用 所谓短路电流是指外接负载电阻远小于光电池内阻时的电流 从实验可知 负载越小 光电流与照度之间的线性关系越好 而且线性范围越宽 负载在100 以下 线性还是比较好的 负载电阻太大 则线性变坏 如图2 33所示 图2 33硅光电池光照特性与负载的关系 3 频率特性光电池的频率特性是指相对输出电流与光的调制频率之间的关系 所谓相对输出电流是指高频输出电流与低频最大输出电流之比 图2 34是光电池的频率特性曲线 在光电池作为测量 计算 接收器件时 常用调制光作为输入 由图可知硅光电池具有较高的频率响应 曲线2 而硒光电池则较差 曲线1 因此 在高速计数的光电转换中一般采用硅光电池 图2 34光电池的频率特性曲线 4 温度特性光电池的温度特性是指开路电压Uoc和短路电流Isc随温度变化的关系 图2 35为硅光电池在照度为1000lx下的温度特性曲线 由图可知 开路电压随温度上升下降很快 但短路电流随温度的变化较慢 温度特性影响应用光电池的仪器设备的温度漂移 以及测量精度或控制精度等重要指标 当其用作测量器件时 最好能保持温度恒定或采取温度补偿措施 图2 35硅光电池的温度特性曲线 5 伏安特性所谓伏安特性 是在光照一定的情况下 光电池的电流和电压之间的关系曲线 图3 36画出了按图3 30所示电路测量的 硅光电池在受光面积为1cm2的伏安特性曲线 图中还画出了0 5 1 3k 的负载线 负载线 如0 5k 与某一照度 如900lx 下的伏安特性曲线相交于一点 如A 该点 A 在I和U轴上的投影即为在该照度 900lx 和该负载 0 5k 时的输出电流和电压 图2 36硅光电池的伏安特性曲线 6 稳定性当光电池密封良好 电极引线可靠 应用合理时 光电池的性能是相当稳定的 使用寿命也很长 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外 在很大程度上还与使用环境条件有密切关系 如在高温和强光照射下 会使光电池的性能变坏 而且降低使用寿命 这在使用中要加以注意 表2 4给出了几种硅光电池的性能参数 以供参考 表2 4几种硅光电池的性能参数 光电二极管工作原理 光电二极管 PD 是一个工作在反向偏压下的PN结二极管 由光电二极管作成的光检测器的核心是PN结的光电效应 当入射光子能量小于Eg时 不论入射光有多强 光电效应也不会发生 即产生光电效应必须满足 即存在 c为产生光电效应的入射光的最大波长 称为截止波长 以Si为材料的光电二极管 c 1 06 m 以Ge为材料的光电二极管 c 1 60 m 利用光电效应可以制造出简单的PN结光电二极管 但这种光电二极管结构简单 无法降低暗电流和提高响应度 器件的稳定度也比较差 实际上不适合做光纤通信的检测器 PIN光电二极管 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型 N型半导体之间 生成一层掺杂极低的本征材料 称为I层 在外加反向偏置电压作用下 I层中形成很宽的耗尽层 由于I层吸收系数很小 入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子 空穴对 因此大幅度提高了光电转换效率 2 I层两侧的P层 N层很薄 光生载流子的漂移时间很短 大大提高了器件的响应速度 PIN光电二极管具有如下主要特性 1 量子效率量子效率表示入射光子转换为光电子的效率 它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比 即 2 响应度响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量 它定义为 其中 P0为入射到光电二极管上的光功率 Ip为所产生的光电流 它的单位为A W 其中 e为电子电荷 其值为1 6 10 19C 所以有 式中 单位取 m 可见 光电检测器的响应度随波长的增大而增大 可以看出 响应度 量子效率随着波长的变化而变化 为提高量子效率 必须减少入射表面的反射率 使入射光子尽可能多地进入PN结 同时减少光子在表面层被吸收的可能性 增加耗尽区的宽度 使光子在耗尽区内被充分吸收 3 响应时间和频率特性 光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间 或截止频率fc 带宽B 表示 对于数字脉冲调制信号 把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10 上升到90 或后沿由90 下降到10 的时间 分别定义为脉冲上升时间 r和脉冲下降时间 f 当光电二极管具有单一时间常数 0时 其脉冲前沿和脉冲后沿相同 且接近指数函数exp t 0 和exp t 0 由此得到脉冲响应时间 对于幅度一定 频率为 2 f的正弦调制信号 用光生电流I 下降3dB的频率定义为截止频率fc 当光电二极管具有单一时间常数 0时 PIN光电二极管响应时间或频率特性 1 光生载流子在耗尽层的渡越时间 d2 包括光电二极管在内的检测电路RC常数 由渡越时间 d限制的截止频率 由电路RC时间常数限制的截止频率 4 噪声特性光电二极管的噪声包括量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声以及负载电阻的热噪声 除负载电阻的热噪声以外 其它都为散粒噪声 散粒噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声 一 量子噪声量子噪声是由于光电子产生和收集的统计特性造成的 与平均光电流Ip成正比 来自噪声电流的均方值可表示为 式中 f为噪声带宽 二 暗电流噪声暗电流噪声是当没有入射光时流过器件偏置电路的电流 它是由于PN结内热效应产生的电子 空穴对形成的 是PIN的主要噪声源 暗电流的均方值可表示为 式中 Id为暗电流平均值 当偏置电压增大时 暗电流增大 暗电流还随着器件温度的升高而增加 三 漏电流噪声表面漏电流是由于器件表面物理特性的不完善 如表面缺陷 不清洁和加有偏置电压而引起的 漏电流的均方值可表示为 式中 IL为漏电流平均值 四 热噪声任何电阻都具有热噪声 只要温度高于绝对零度 电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动 由此在电阻上形成无规则弱电流 造成电阻的热噪声 均方热噪声电流为 光电二极管的总均方噪声电流为 雪崩光电二极管 APD 随着反向偏压的增加 开始光电流基本保持不变 当反向偏压增加到一定数值时 光电流急剧增加 最后器件被击穿 这个电压称为击穿电压UB APD就是根据这种特性设计的器件 如果电压增加到使电场达到200kV cm以上 初始电子 一次电子 在高电场区获得足够能量而加速运动 高速运动的电子和晶格原子相碰撞 使晶格原子电离 产生新的电子 空穴对 新产生的二次电子再次和原子碰撞 如此多次碰撞 产生连锁反应 致使载流子雪崩式倍增 所以这种器件就称为雪崩光电二极管 APD APD的结构有多种类型 如下图示出的N P P 结构被称为拉通型APD 在这种类型的结构中 当偏压加大到一定值后 耗尽层拉通到 P 层 一直抵达P 接触层 是一种全耗尽型结构 拉通型雪崩光电二极管 RAPD 具有光电转换效率高 响应速度快和附加噪声低等优点 APD增加灵敏度的原因它的光电流的产生主要包含哪几部分 1 当加上反向偏压后 在层和结内会产生非常强的电场 在结内的载流子被加速 就导致雪崩碰撞电离现象的产生 从而 对于每个入射的光子将产生更多的载流子 此耗尽层也称为雪崩区 占光电流的主要部分 2 与pin管的i层一样 层内产生的电子 空穴对因为强电场而分离 电子向层漂移 空穴向p 层漂移 形 成光电流 3 当然 还有少部分的光电流的产生是由层内的少数载流子 电子的扩散长度内所产生的 p 1 因为强反向电场引起的载流子漂移加快 响应速度提高 从能带图上还可以很形象的看出 2 增加层 主要是因为拉长了光生少数载流子在此区间的漂移空间 使得载流子在加速度的作用下 空间越大 最后载流子的漂移速度增加了 响应速度提高的原因 优 缺点缺点 伴有噪声 并受温度的影响较大 工作偏压必须适当 过小时 增益太小 过大时 噪声大 而且过高可能使管子被击穿 优点 具有高速响应特性 和很高的灵敏度特性 雪崩光电二极管的特性与PIN相比 雪崩光电二极管的主要特性也包括量子效率 响应度 响应速度等 除此之外 由于APD中雪崩倍增效应的存在 APD的特性还包括雪崩倍增特性 倍增噪声 温度特性等 1 倍增因子定义倍增因子g为APD输出光电流Io和一次光生电流Ip的比值 g值随反向偏压 波长和温度而变化 显然 APD的响应度比PIN增加了g倍 现在APD的g值已达到几十甚至上百 2 过剩噪声因子 雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放大作用 所以如果不考虑别的因素 APD的均方量子噪声电流为 i2q 2eIPBg2 雪崩效应产生的载流子也是随机的 所以引入新的噪声成分 并表示为附加噪声因子F F 1 是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数 设F gx APD的均方量子噪声电流应为 i2q 2eIPBg2 x 式中 x为附加噪声指数 同理 APD暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d 2eIdBg2 x 附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关 Si APD的x 0 3 0 5 Ge APD的x 0 8 1 0 InGaAs APD的x 0 5 0 7 当g 1时 得到的结果和PIN相同 3 温度特性当温度变化时 原子的热运动状态发生变化 从而引起电子 空穴电离系数的变化 使得APD的增益也随温度而变化 随着温度的升高 倍增增益下降 为保持稳定的增益 需要在温度变化的情况下进行温度补偿 光电倍增管光电倍增管是典型的光电子发射型探测器 其主要特点是 灵敏度高 稳定性好 响应速度快以及噪声小 但结构复杂 工作电压高和体积大 它是电流放大器件 具有很高的电流增益 特别适用于微弱光信号的探测 光电倍增管 PMT 一般由光电阴极 倍增极 阳极和真空管壳组成 如下图所示 图中K为光阴极 D是倍增级 A是阳极 U是极间电压 称为分级电压 分级电压为百伏量级 分级电压之和为总电压 总电压为千伏量级 从阴极到阳极 各级间形成逐级递增的加速电场 阴极在光照下发射光电子 光电子被极间电场加速聚焦 从而以足够高的速度轰击倍增级 倍增级在高速电子轰击下产生二次电子发射 使电子数目增加若干倍 如此逐级倍增 使电子数目大量增加 最后 电子被阳极收集形成阳极电流 当光信号变化时 阴极发射的光电子数目相应变化 由于各倍增级的倍增因子基本不变 所以阳极电流随光信号变化 阳极电流Ip随入射光功率PS的变化规律是 开始阶段是线性增长 当PS大到一定值时 IP增加缓慢 出现饱和现象 这是由于光阳极受强光照射后发射电子的速率过高 阴极内部来不及重新补充电子 致使灵敏度下降 出现疲劳效应 在轻度疲劳时 若停止工作一段时间 可以恢复正常工作能力 但是太强的光照射会使光电倍增管损坏 所以 在使用时切忌过强的光照射 光电倍增管的噪声主要是散粒噪声和负载电阻产生的热噪声 光接收机 数字光接收机的组成如下图所示 主要包括光检测器 前置放大器 主放大器 均衡器 时钟提取电路 取样判决器以及自动增益控制 AGC 电路等 数字光接收机组成框图 1 光检测器 光检测器是光接收机实现光 电转换的关键器件 其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度 对光检测器的要求如下 1 波长响应要和光纤低损耗窗口 0 85 m 1 31 m和1 55 m 兼容 2 响应度要高 在一定的接收光功率下 能产生最大的光电流 3 噪声要尽可能低 能接收极微弱的光信号 4 性能稳定 可靠性高 寿命长 功耗和体积小 目前 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管 APD 2 放大器 前置放大器应是低噪声放大器 它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大 前放的噪声取决于放大器的类型 目前有三种类型的前放可供选择 主放大器一般是多级放大器 它的作用是提供足够的增益 并通过它实现自动增益控制 AGC 以使输入光信号在一定范围内变化时 输出电信号保持恒定 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围 3 均衡和再生 均衡的目的是对经光纤传输 光 电转换和放大后已产生畸变 失真 的电信号进行补偿 使输出信号的波形适合于判决 以消除码间干扰 减小误码率 再生电路包括判决电路和时钟提取电路 它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟 并逐个地对码元波形进行取样判决 以得到原发送的码流 4 光电集成接收机 下图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件 很容易用标准的集成电路 IC 技术将它们集成在同一芯片上 不论是硅 Si 还是砷化镓 GaAs IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2GHz 甚至达到10GHz 光电集成接收机 一 噪声特性 1 数字光接收机的噪声源接收机中 影响接收机灵敏度的主要因素是信号检测和放大系统中的各种噪声 这些噪声的分布如下图所示 这些噪声可分为散弹噪声和热噪声两大类 散弹噪声包括光检测器的量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声和APD的倍增噪声 热噪声包括负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的噪声 具体的噪声均方值形式类似于PIN噪声特性中的表示 接收机的噪声及其分布 2 数字光接收机的噪声特性的分析方法噪声是一种随机过程 应采取随机过程的分析方法 用概率密度和概率分布函数来表示随机过程的统计特性 下图示出光接收机的噪声等效模型 由光检测器和放大器两部分组成 光接收机的噪声等效模型 放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型 根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算 常用三种类型前置放大电路示于下图 接收机的前置级放大电路 a 双极型晶体管 b 场效应管 c 跨阻型 双极型晶体管 BJT 前置放大器 场效应管 FET 前置放大器 跨阻型前置放大器 双极型晶体管 跨阻型前置放大器 场效应管 三种类型前置放大器的比较 1 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T 因而码间干扰小 适用于高速率传输系统 2 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高 噪声小 高频特性较差 适用于低速率传输系统 3 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围 并具有良好的噪声特性 二 误码率 由于噪声的存在 放大器输出的是一个随机过程 其取样值是随机变量 因此在判决时可能发生误判 把发射的 0 码误判为 1 码 或把 1 码误判为 0 码 光接收机对码元误判的概率称为误码率 在二元制的情况下 等于误比特率 BER 用较长时间间隔内 在传输的码流中 误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示 码元被误判的概率 可以用噪声电流 压 的概率密度函数来计算 如下